蘇喜平 宋晶如 殷通 謝季佳 葉璇 劉小明

CFR600堆芯組件自由跌落試驗(yàn)的沖擊響應(yīng)分析

蘇喜平1宋晶如2殷通1謝季佳2葉璇2劉小明2

（1 中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所非線性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413）

評(píng)估堆芯組件跌落對(duì)組件結(jié)構(gòu)完整性和內(nèi)部元件密封性的影響是組件安全評(píng)價(jià)的重要組成。本文針對(duì)CFR600堆芯組件在換料運(yùn)輸過(guò)程中可能發(fā)生的組件跌落事件，開(kāi)展了堆芯組件模擬件堆外沖擊力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析。研究對(duì)比了組件模擬件分別從不同高度自由跌落的試驗(yàn)和模擬結(jié)果，分析了組件在沖擊載荷作用下的加速度和應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程，結(jié)果表明，應(yīng)變波形沿組件截面從上到下逐漸由正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?。?dāng)?shù)涓叨冗_(dá)到1500mm時(shí)，組件管腳位置發(fā)生了較大的局部塑性變形，此后跌落高度增加，加速度峰值開(kāi)始減小。

堆芯組件模擬件；自由跌落試驗(yàn)；有限元數(shù)值模擬；沖擊響應(yīng)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，能源需求也日益增長(zhǎng)，核能作為綠色、經(jīng)濟(jì)、安全的清潔能源，是人類(lèi)最具希望的未來(lái)能源之一，在我國(guó)能源供應(yīng)中占有重要地位。CFR600示范快堆為第四代核電技術(shù)中的鈉冷快中子增殖反應(yīng)堆，在我國(guó)核能事業(yè)“熱堆—快堆—聚變堆”三步走發(fā)展規(guī)劃中起到承上啟下的關(guān)鍵作用[1]。作為新的堆型，組件的安全評(píng)價(jià)是核安全審評(píng)的重要內(nèi)容之一。堆芯組件在安裝、換料和運(yùn)輸過(guò)程中具有潛在的跌落風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部元件棒的機(jī)械損壞，從而可能導(dǎo)致放射性元素污染環(huán)境[2]。因此，堆芯組件跌落的沖擊分析尤為重要。

針對(duì)組件跌落事件的沖擊問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相應(yīng)的研究[2-10]。Petkevich等[2]進(jìn)行了燃料組件的跌落試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析對(duì)比了自由跌落沖擊下的應(yīng)變和加速度響應(yīng)時(shí)程。方健等[3]基于LS-DYNA 非線性動(dòng)力分析程序研究了跌落末端的沖擊過(guò)程。錢(qián)浩等[4]對(duì)乏燃料貯存格架進(jìn)行了多種工況的跌落事故沖擊非線性分析，并通過(guò)跌落沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。張萬(wàn)平等[6]分析了30萬(wàn)千瓦壓水堆核電廠中的乏燃料貯存格架在組件跌落事故中的沖擊問(wèn)題。Wit等[7]對(duì)沸水堆燃料組件跌落事件進(jìn)行了分析。馮少東等[8]開(kāi)展了堆芯跌落事故下反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的功能性評(píng)定。聶君鋒等[10]研究了殼體容器跌落事故的相似試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了有限元分析。

本文針對(duì)CFR600堆芯組件在換料運(yùn)輸過(guò)程中可能發(fā)生的組件跌落事件，開(kāi)展了堆芯組件模擬件堆外沖擊力學(xué)試驗(yàn)。將全尺寸組件模擬件提升到不同的指定高度進(jìn)行自由跌落試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M組件安裝、換料和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的意外跌落現(xiàn)象，包括跌落高度和跌落姿態(tài)，研究組件模擬件的加速度和應(yīng)變狀態(tài)。同時(shí)，采用有限元軟件進(jìn)行試驗(yàn)工況下的數(shù)值模擬，通過(guò)分析試驗(yàn)和模擬結(jié)果，探索堆芯組件的沖擊力學(xué)行為，為組件在安全運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)判提供依據(jù)。

1 自由跌落試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)介紹

跌落試驗(yàn)在沖擊試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，試驗(yàn)件為用全尺寸的CFR600堆芯組件模擬件，其主要結(jié)構(gòu)從上到下分別為操作頭、上凸臺(tái)、外套管、焊縫、下過(guò)渡接頭、管腳，如圖1所示。組件材料為CN1515，該材料以及組件外形尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)皆與真實(shí)堆芯組件一致，能夠模擬真實(shí)堆芯組件的剛度特性和質(zhì)量特性。

圖1 堆芯組件模型圖

整個(gè)試驗(yàn)裝置包括：沖擊試驗(yàn)臺(tái)架、變頻器與卷?yè)P(yáng)機(jī)、組件抓手、翻轉(zhuǎn)裝置、沖擊靶臺(tái)等，并架設(shè)高速攝像機(jī)記錄組件下端管腳位置的跌落過(guò)程圖像。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖見(jiàn)圖2，卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)鋼纜連接組件抓手，抓住組件模擬件的頂部操作頭（見(jiàn)圖1），使組件處于豎直狀態(tài)（圖1中管腳位置朝下），管腳底部與沖擊靶臺(tái)之間的距離為跌落高度。沖擊試驗(yàn)臺(tái)架最大高度20m，允許跌落的最大高度17m，目標(biāo)沖擊靶臺(tái)為尺寸1560×580×340mm（長(zhǎng)×寬×高）的鋼塊。試驗(yàn)時(shí)抓手從指定高度突然釋放，使組件模擬件自由跌落，組件管腳位置與沖擊靶臺(tái)發(fā)生碰撞。跌落高度分別選取0～200mm高度段（步長(zhǎng)50mm）和500～2000mm高度段（步長(zhǎng)500mm）。

圖2 組件自由跌落試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1加速度響應(yīng)

試驗(yàn)采用高頻ICP沖擊加速度計(jì)，每個(gè)量程10000g，分別布置在組件上凸臺(tái)處（2-2）和管腳位置（1-1），如圖3所示。跌落高度200mm、1000mm、1500mm和2000mm的加速度響應(yīng)時(shí)程如圖4所示。加速度計(jì)安裝在組件的外表面，用管箍裹緊（502膠粘結(jié)加固），測(cè)量沿組件軸向的加速度。為了加速度計(jì)支架安裝固定在組件的合適位置，上凸臺(tái)處的加速度計(jì)安裝后方向朝向組件下端，管腳處的加速度計(jì)安裝后方向朝向組件頂端。因此，上凸臺(tái)處的第一峰值加速度為負(fù)值，管腳處的第一峰值加速度為正值。組件自由跌落與沖擊靶臺(tái)發(fā)生碰撞后，應(yīng)力波首先到達(dá)管腳位置，然后傳遞到上凸臺(tái)處，因而管腳處加速度先達(dá)到峰值，同時(shí)由于管腳處加速度計(jì)距離沖擊位置最近，該位置的加速度要高于上凸臺(tái)處。

不同跌落高度對(duì)應(yīng)不同的落地速度，跌落高度200mm、500mm、1000mm、1500mm和2000mm分別對(duì)應(yīng)落地速度為2.00m/s、3.31m/s、4.43m/s、5.42m/s和6.26m/s，試驗(yàn)得到的第一峰值加速度見(jiàn)圖5。

圖3 加速度測(cè)點(diǎn)位置圖

圖4 自由跌落試驗(yàn)的加速度響應(yīng)時(shí)程

圖5 第一峰值加速度與跌落高度和落地速度的關(guān)系

可見(jiàn)，對(duì)于上凸臺(tái)位置，碰撞加速度的數(shù)值（絕對(duì)值）隨跌落高度/落地速度的增加而增大；對(duì)于管腳位置，當(dāng)?shù)涓叨炔怀^(guò)1500mm時(shí)，碰撞加速度隨跌落高度/落地速度的增加而增大，而當(dāng)?shù)涓叨瘸^(guò)1500mm時(shí)，加速度峰值開(kāi)始減小。這是由于，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及高速相機(jī)采集到的圖像中可以看到，當(dāng)?shù)涓叨冗_(dá)到1500mm時(shí)，組件管腳位置發(fā)生了較大的局部塑性變形。這在后面章節(jié)的尾端孔變形量分析中也得到了驗(yàn)證。

1.2.2 應(yīng)變響應(yīng)

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在組件上沿軸向分布的7個(gè)截面，分別以A、B、C、D、E、F、G截面表示，如圖6所示。其中，A～E這5個(gè)截面分布在六角管上，其中，C和D截面分布在焊縫兩側(cè)。每個(gè)截面3個(gè)角度上，120°分布測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿軸向和橫向各布置1個(gè)應(yīng)變片，采集軸向、橫向應(yīng)變。F和G截面為管腳處尾端孔所在截面，每個(gè)截面沿周向分布有6個(gè)尾端孔，在兩個(gè)尾端孔中間布置一個(gè)軸向應(yīng)變片，間隔分布，每個(gè)截面布置3個(gè)應(yīng)變片。

圖7～圖9所示分別為在跌落高度200mm、1000mm和2000mm試驗(yàn)時(shí)各截面的軸向應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程?？梢钥吹?，軸向應(yīng)變波形以壓縮波為主，同一截面不同六角管面(1/3/5)的應(yīng)變波形基本相同，尤其是壓縮波峰值幾乎一致。隨著跌落高度的增加，截面從上到下（從截面A到G），波形逐漸向方波靠攏。隨著跌落高度的增加，應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)?shù)涓叨葹?000mm時(shí)，最大峰值應(yīng)變達(dá)到2160.23με。

圖7 跌落高度200mm自由跌落試驗(yàn)的軸向應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程

圖8 跌落高度1000mm自由跌落試驗(yàn)的軸向應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程

從不同跌落高度試驗(yàn)的峰值應(yīng)變結(jié)果可以看到，對(duì)于同一個(gè)六角管面，從截面A到截面C，應(yīng)變基本呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，而到截面D和截面E，應(yīng)變出現(xiàn)明顯減小，截面F和截面G的應(yīng)變?cè)俅卧龃蟆?/p>

截面C和截面D分別位于六角管上焊縫的兩側(cè)（見(jiàn)圖6的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置圖），截面C位于焊縫上部外套管處，截面D位于焊縫下部下過(guò)渡接頭處，這兩部分的材料都與真實(shí)堆芯組件一致，為CN1515。兩個(gè)截面處的材料相同，而應(yīng)變有明顯變化，這與組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。組件內(nèi)部在焊縫兩側(cè)為錐形過(guò)渡，組件管腳位置發(fā)生碰撞后，應(yīng)力波從截面D到截面C傳遞的過(guò)程中，由于組件六角管的橫截面變小，應(yīng)力波反射，使得截面C的應(yīng)變大于截面D。同樣的，位于管腳位置的截面F和截面G，雖然截面G更接近沖擊源，但是由于組件管腳的橫截面在該處發(fā)生變化，使得截面G的應(yīng)變反而小于截面F。

1.2.3 變形量分析

組件尾端共有四排尾端孔，上面三排為小孔，最下面一排為大孔，每排沿周向分布6個(gè)孔。最下面一排尾端孔孔徑、孔間距測(cè)量結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看到，當(dāng)?shù)涓叨葹?500mm時(shí)，尾端孔出現(xiàn)較大變形。

2 自由跌落模擬

根據(jù)組件自由跌落試驗(yàn)的實(shí)際工況，在Abaqus/Explicit中建立相應(yīng)的全尺寸有限元模型，進(jìn)行組件自由跌落的沖擊分析，其幾何模型如圖11(a)所示。模型包含組件模擬件和沖擊靶臺(tái)，其中，組件采用128162個(gè)C3D10M 單元和22980個(gè)C3D8R單元，沖擊靶臺(tái)采用61864個(gè)C3D8R單元，滿(mǎn)足網(wǎng)格收斂性要求。六角管材料為CN-1515（冷加工態(tài)），其彈性模量為162GPa，管腳材料為CN-1515（固溶態(tài)），其彈性模量為149GPa，兩種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖11(b)所示。在模擬過(guò)程中，約束靶臺(tái)底部四角z(3)方向位移，利用通用接觸（法向硬接觸、切向摩擦系數(shù)0.2）模擬組件管腳底部與靶臺(tái)之間的接觸相互作用。之后基于該模型計(jì)算組件模擬件從200mm、500mm、1000mm、1500mm和2000mm高自由跌落的響應(yīng)。

圖9 跌落高度2000mm自由跌落試驗(yàn)的軸向應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程

圖10 尾端孔變形量

通過(guò)有限元模擬獲得了組件在自由跌落過(guò)程中截面A、B、E和G的應(yīng)變響應(yīng)，如圖12所示。

從截面A到G，應(yīng)變波形由正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?，與試驗(yàn)結(jié)果接近。應(yīng)變峰值上與試驗(yàn)結(jié)果有一定出入，其原因由于試驗(yàn)中的組件模擬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在有限元模擬過(guò)程中將該部分質(zhì)量附加在外套管上作為等效，與真實(shí)工況有一定偏差。隨著跌落高度增加，截面G的應(yīng)變由方波狀轉(zhuǎn)為梯形狀主要是因?yàn)槭蹽截面局部塑性變形不斷增加的影響。

通過(guò)跌落分析，組件上最大塑性應(yīng)變與跌落高度的關(guān)系見(jiàn)圖13。圖13中所示空心點(diǎn)的跌落高度分別為200mm、500mm、1000mm、1500mm和2000mm。當(dāng)?shù)涓叨却笥?500mm時(shí)，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象。

圖13中云圖所示為不同跌落高度工況下最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)的位置。可以看到，該位置為管腳螺紋處，這與實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到的變形鼓包位置一致。

圖11 a) 組件跌落的有限元模型；b)組件兩種材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖12 組件自由跌落有限元模擬的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程

圖13 最大塑性應(yīng)變隨跌落高度的變化

圖14 組件自由跌落試驗(yàn)與模擬的加速度響應(yīng)時(shí)程對(duì)比

3 試驗(yàn)與模擬對(duì)比

組件自由跌落工況下，試驗(yàn)測(cè)量加速度結(jié)果與有限元模擬分析結(jié)果對(duì)比顯示，兩者在第一加速度峰值上基本接近，如圖14所示。

4 結(jié)論

針對(duì)CFR600堆芯組件可能發(fā)生的組件意外跌落事件，開(kāi)展了跌落高度0～2000mm的組件模擬件自由跌落試驗(yàn)。通過(guò)分析試驗(yàn)和模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變波形沿組件截面從上到下逐漸由正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?。?dāng)?shù)涓叨冗_(dá)到1500mm時(shí)，組件管腳位置發(fā)生了較大的局部塑性變形，此后跌落高度增加，加速度峰值開(kāi)始減小。通過(guò)有限元模擬分析最大塑性應(yīng)變推測(cè)出塑性局部化發(fā)生的位置和跌落高度，為組件跌落的結(jié)構(gòu)可靠性分析提供評(píng)判依據(jù)。

[1] 張東輝, 喬鵬瑞, 楊勇.中國(guó)快堆及先進(jìn)核燃料循環(huán)體系發(fā)展戰(zhàn)略思考[J].原子能科學(xué)技術(shù), 2019, 53(10): 1816-1820.[ZHANG Donghui, QIAO Pengrui, YANG Yong, et al.Strategic thinking on development of china fast reactor and advanced nuclear fuel cycle system[J].Atomic Energy Science and Technology, 2019, 53(10): 1816-1820.]

[2] Petkevich P, Abramov V, Yuremenko V, et al.Simulation of the nuclear fuel assembly drop test with LS-Dyna[J].Nuclear Engineering and Design, 2014, 269: 136-141.

[3] 方健, 段遠(yuǎn)剛, 冉小兵, 等.堆芯跌落事故下水力緩沖性能分析研究[J].核動(dòng)力工程, 2020, 41(2): 54-58.[Fang Jian, Duan Yuangang, Ran Xiaobing, et al.Buffering effect analysis for secondary supports in reactor vessel internals under assumption accident of core drop[J].Nuclear Power Engineering, 2020, 41(2): 54-58.]

[4] 錢(qián)浩, 許艷濤, 謝永誠(chéng), 等.乏燃料貯存格架跌落事故沖擊分析和試驗(yàn)驗(yàn)證[J].力學(xué)季刊, 2019, 40(1): 175-182.

[5] Kim H J, Yim J S, Lee B H, et al.Drop impact analysis of plate-type fuel assembly in research reactor [J].Nuclear Engineering and Technology, 2014, 46(4): 529-540.

[6] 張萬(wàn)平, 徐定耿, 陳松, 等．乏燃料貯存格架在組件跌落事故中的沖擊分析[J].振動(dòng)與沖擊, 2010, 29: 187-189.[ZHANG Wanping, XU Dinggeng, CHEN Song, et al.Structural impact analysis of spent fuel storage rack subjected to a drop of spent fuel assembly[J].Journal of Vibration and Shock, 2010, 29:187-189.]

[7] Wit H J, Tseng C C, Cheng S C.A numerical analysis for a BWR fuel assembly drop event[J].Journal of Nuclear Science and Technology, 2006, 43(9): 1068-1073.

[8] 馮少東, 張明, 朱焜, 等.堆芯跌落事故下反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)功能性評(píng)定[J].核技術(shù), 2013, 36(4):367-371.[FENG Shaodong, ZHANG Ming, ZHU Kun, et al.Evaluation of reactor structural function during core drop accident[J].Nuclear Techniques, 2013, 36(4): 367-371.]

[9] 宋威, 秦本科, 薄涵亮.水壓驅(qū)動(dòng)控制棒快速落棒沖擊研究[J].原子能科學(xué)技術(shù), 2013, 47(4): 588-592.[SONG Wei, QIN Benke, BO Hanliang, et al.Shock analysis on hydraulic drive control rod during scram[J].Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(4): 588-592.]

[10] 聶君鋒, 李曉軒, 張海泉, 等.殼體容器跌落事故的相似試驗(yàn)設(shè)計(jì)與有限元分析[J].原子能科學(xué)技術(shù), 2012, 46(10): 1237-1242.[NIE Junfeng, LI Xiaoxuan, ZHANG Haiquan, et al.Design and FEM analysis of similitude model test for dropping accident of shell container[J].Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46(10): 1237-1242.]

Impact Analysis of Free-drop Test for CFR600 Core Assembly

SU Xi-ping1SONG Jing-ru2YIN Tong1XIE Ji-jia2YE Xuan2LIU Xiao-ming2

（1 China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China，2 Key Lab.of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 102413, China）

Evaluating the influence of core assembly drop on the structural integrity and internal rod sealing is an important component of assembly security appraisal.In this paper, the impact test outside the reactor and numerical simulation analysis of analog core assembly were performed for the accidental drops during refueling and transportation.The results of the free-drop test and simulation from different heights were studied and compared for the analog assembly, and the acceleration and strain response time history under impact loading were also analyzed.It was found that the strain waveform gradually changed from a sine wave to a square wave from top to bottom along the assembly section.When the drop height reached 1500mm, a large local plastic deformation occurred in the position of the assembly pin.After that, the drop height increased and the peak acceleration started to decrease.

Analog core assembly; free-drop test; finite element simulation; impact response

TB332

A

1006-3919(2021)03-0028-08

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.03.005

2021-01-16

2020-04-15

蘇喜平（1982—），男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：快堆堆芯組件設(shè)計(jì)；（102413）北京275信箱95分箱.